彈性楔波理論及其光學測試研究

《彈性楔波理論及其光學測試研究》是依託南京理工大學，由沈中華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：彈性楔波理論及其光學測試研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈中華
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

楔形體彈性導波是一種沿楔形體頂端傳播的導波,其低相速，能量集中等特徵使其在信號處理器件、生物化學感測器、無損檢測與評價等方面具有很好的潛在套用價值。本項目擬從實驗和理論兩個方面研究雷射在楔體激發產生的楔波的特性。理論上，擬建立沿平行於楔頂線方向傳播的導波模型。通過系統的理論分析，研究楔波、楔頂區附近導波的模態分布、能量分布及模態轉換等問題，以及它們與楔頂角、楔頂距離等參量之間的關係，並澄清McKenna的薄板近似解的適用範圍及與楔頂角的關係。實驗方面，利用雷射激發和光學探測的方法，研究楔波的色散、模態轉化、能量分布及衰減等特徵。同時，對沿非直線楔頂傳播的楔波進行研究，通過綜合考慮曲率與非理想楔頂帶來的色散的影響，控制楔波的色散，進而設計可以傳播無色散楔波的非直線型楔體結構。本項目的研究成果可以為實現楔波模態、色散等的有效利用和控制提供理論指導和實驗依據。

結題摘要

楔波是一種沿楔體頂端傳播的導波,其低相速，能量集中等特徵使其在信號處理器件、生物化學感測器、無損檢測與評價等方面具有很好的潛在套用價值。本項目通過理論模擬和光學測試系統地研究了楔波的特性，相關研究成果可以為實現楔波模態、色散等的有效利用和控制提供理論指導和實驗依據。 基於熱彈性理論和楔體的幾何結構特徵，建立了脈衝雷射激發楔波及其傳播的三維熱彈理論模型及算法，克服了現有的薄板近似理論只能求解小角度楔頂角中楔波傳播的局限。系統地研究了不同楔頂角楔體中楔波的模式分布、時域波形，得到了楔體導波從楔尖處的多模式楔波轉變為單一模態表面波的過程圖像，闡明了離楔頂不同距離處導波及表面波的頻域模態特徵、能量分布特徵及其與楔頂角的關係。 研究了直線型楔體頂端的非理想狀態對楔波傳播的影響。理論和實驗研究發現小角度直線型楔體中楔波模態在楔頂小截斷情況下呈現強烈的反常色散，且截斷對低階模態的影響較大，隨著截斷的增大，在高頻區域低階模態逐漸向高階模態靠近，高階模態相速度趨於瑞利波速度，並同時伴有正常色散的一階反對稱蘭姆波出現。該結果可用於對楔體楔頂結構狀態進行評估和檢測。 建立了基於Michelson干涉的雷射頻閃剪下干涉裝置，實現了對楔波的動態成像研究，給出了楔波的各階模態在楔頂附近的位移結構分布圖，並發現圓台型楔體中沿垂直於楔尖方向傳播的板波會有部分波轉化為繞著楔尖傳播的非完全局域楔波（漏波），並基於幾何聲學近似理論闡明了轉換的機制。 從理論和實驗上研究了圓柱形楔體中截斷和曲率半徑對楔波色散的影響。研究發現，隨著截斷的增大，楔波逐漸表現出沿空心圓柱傳播的周嚮導波的特性，小曲率半徑對小角度楔體的低階模態的色散影響最大。而大角度楔體中，隨著曲率半徑的減小，曲率半徑引起的楔波模態從呈現反常色散到逐漸轉變為正常色散。當曲率半徑與截斷滿足一定關係時，大楔頂角圓柱型楔體中存在沒有色散的楔波模態，實現了楔波的近似無色散傳播。 項目共發表學術論文12篇，其中SCI收錄11篇，出版學術專著1部，授權國家發明專利2項，主辦國際學術會議1次。